微波通信实验讲义

微波通信实验讲义
（试用版）
游佰强、徐伟明
厦门大学电子工程系
2004年3月
目录
前言
一、微波分光仪概述
二、微波分光仪工作原理
三、微波分光仪系统成套性
四、分光仪的机械结构的安装与调整
五、分光仪软件安装
六、分光仪使用方法
实验一、反射实验
2．单缝衍射实验
3．双缝干涉实验
4．迈克尔逊干涉实验
5．无损介质介电常数实验
6．偏振实验
7．布拉格衍射实验
8．极化波的产生/检测
9．圆极化波左旋/右旋
10．圆极化波反射/折射
11．软件的补充说明
七、保修期限
八、附录
前言
随着现代通信技术的迅猛发展，了解电磁波传播特性、现代射频电路及其器件的设计方法已经成为电子工程和通信工程领域的一个重要环节。

此实验教程安排上与传统微波技术实验有较大差异，更强调为现代通信技术及微波射频器件设计技术等服务的工程理念。

本微波通信实验教程的安排上是由浅入深的让同学们从电磁波的传输特性如反射、衍射、干涉入手，进而探讨介质对电磁波传播的影响、电磁波的偏振特性；介绍传统微波测量线及基本微波器件的工作原理，包括现代蓝牙通信等基础知识。

在微波射频技术方面将介绍美国AWR公司的Microwave Office 设计软件的基本使用方法，直接与现代工程需求相结合。

目前教程和项目仍在不断完善之中，欢迎老师同学们提出宝贵意见，也请同学们访问教学网站210.34.10.115下载有关微波传输线、圆图、微带线等现代仿真试验内容，自行加深对课堂教学内容的理解。

游佰强
2003年3月与厦门大学
一、微波分光仪概述
DH926U型微波分光仪自动测试系统适合于高等院校和中等专业学校做普通物理教学的波动实验。

它与DH926C型微波分光仪的不同之处是，其单缝及双缝板的缝隙周围加有微波吸收材料，使单缝及双缝实验曲线更接近本说明书给出的典型数据；与DH926B型微波分光仪的不同之处是，为便于计算机显示实验结果，在DH926B型微波分光仪预留的角度传感器及距离传感器的安装位置安装了相应的角度传感器和距离传感器，用户将DH926B型微波分光仪正确连接DH926AD型数据采集仪及DH1121B型三厘米固态信号源后，便可通过USB 传输线直接与计算机联机。

我们还根据本套系统的实验内容编制了DH926U型微波分光仪自动测试系统Windows版本的应用软件，使用户操作简单，实验结果更直观、明显。

DH926AD型数据采集仪是专为配合DH926B型微波分光仪使用的计算机采集测试仪器。

数据采集仪根据微波、电磁场检波原理，采用微电流放大系统，检波信号经过全波整流电路后输出直流信号送A/D。

A/D为通用型8通道12位，A/D接收检波后的直流信号，经过多通道选择电路送内置采样保持放大器，使信号在转换期间内保持不变。

由光电传感器提供的场地址定位计数脉冲，同样送A/D由软件控制计数，按照工业标准完成12位模/数转换。

二、微波分光仪工作原理
微波虽然有许多和无线电波不同
的地方，但就电磁波的本质来说，仍
然具有波动的某些共同特点，反射、
折射、绕射、干涉、偏振以及能量传
递等方面仍显示出波动的通性。

我们
正是充分利用它的这一通性，模仿光
学实验的基本方法，开展了下列几个
极有意义的实验，以培养学生的基本
技能和加深对电磁波的认识。

三、微波分光仪系统成套性
DH926U型微波分光仪自动测试系统主要包含DH926B型微波分光仪、DH926AD型数据采集仪及DH1121B型三厘米固态信号源三部分。

下面分述每部分仪器的成套性：1．DH926B型微波分光仪的成套性
2．DH926AD型数据采集仪的成套性
3．DH1121B型三厘米固态信号源的成套性
其中，DH1121B型三厘米固态信号源的三厘米固态振荡器发出的信号具有单一的波长（出厂时信号调在λ=32.02mm上），这种微波信号就相当于光学实验中要求的单色光束。

DH926B型微波分光仪的喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是20°，E面是16°。

当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的
偏损方向是垂直于水平面的；可变衰减器用来改变微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大；晶体检波器可将微波信号变成直流信号或低频信号（当微波信号幅度用低频信号调制时）。

当以上这些元件连接时，各波导端应对齐。

如果连接不正确，则信号传输可能受破坏。

四、机械结构的安装与调整
本DH926B型微波分光仪分度转台的安装与调整已经完成，并放置在每位同学的实验桌上，请同学们自行熟悉仪器，不要随意改动设置。

DH1121B型三厘米固态信号源的安装在DH926B型微波分光仪喇叭天线的可变衰减器上。

如要改变参数，请参照波长表设定。

DH926AD型数据采集仪配套的三个光栅分别安装在DH926B型微波分光仪的预留的相应位置上。

然后将视频电缆的两端分别接在DH926AD型数据采集仪的检波输入和DH926B 型微波分光仪的接收喇叭天线连接的检波器插座上。

最后根据每个实验的不同内容，将通道电缆线的两端分别连接到光栅和数据采集仪的相应通道输入口上。

注意：
开机前先不要按振荡器的连线（取下“输出”）插座，打开电
源，状态选“等幅”，电压表应指在12V，检查电流应洁净于
零。

===→表示电源工作正常。

为了防止意外，应关断电源后
在重新连接线，再打开电源，此时信号源可以正常工作。

五、软件安装
应用软件已经安装在电脑的C盘，请参照相关实验项目选择运行。

开始→所有程序→DH926型微波分光仪自动测试系统→usb-dbg
六、实验内容及使用方法
本实验系统主要可以完成七个典型的波动实验。

同学们如果感兴趣也可根据情况或再增加适当的附件做更多的实验。

例如演示台上有DH30003型栅网组件与本系统组合使用时，满足相应的条件就可得到线极化、圆极化和椭圆极化的电磁波，通过三种极化波的产生、检测，可以了解电波极化的概念；选用DH30002型极化天线组件与本系统组合使用时，可用于多种电磁波实验，产生圆极化波，实现圆极化波反射和折射特性的实验等等。

实验一 反射实验：
电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射，本处以一块大的金属板作为障碍物来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律，即反射线在入射线和通过入射点的法线所决定的平面上，反射线和入射线分居在法线两侧，反射角等于入射角，实验中测定的角度除2即为该角度。

1）系统构建指南：
系统构建时，如图13，开启DH1121B 型三厘米固态信号源。

DH926B 型微波分光仪的两喇叭口面应互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的0-180刻度处。

将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座，拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。

反射全属板放到支座上时，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的90-90这对刻线一致，这时小平台上的0刻度就与
金属板的法线方向一致。

将DH926AD 型数据采集仪提供的USB 电缆线的两端根据具体尺寸分别连接到数据采集仪的USB 口和计算机的USB 口，此时，DH926AD 型数据采集仪的USB 指示灯亮（蓝色），表示已连接好。

然后打开DH926AD 型数据采集仪的电源开关，电源指示灯亮（红色），将数据采集仪的通道电缆线两端分别连接到DH926B 型微波分光仪分度转台底部的光栅通道插座和数据采集仪的相应通道口上（本实验应用软件默认为通道1）。

最后，察
图13 反射实验
看DH1121B型三厘米固态信号源的“等幅”和“方波”档的设置，将DH926AD型数据采集仪的“等幅/方波”设置按钮等同于DH1121B型三厘米固态信号源的设置。

转动微波分光仪的小平台，使固定臂指针指在某一刻度处，这刻度数就是入射角度数，然后转动活动臂在DH926AD型数据采集仪的表头上找到一最大指示，此时微波分光仪的活动臂上的指针所指的刻度就是反射角度数。

如果此时表头指示太大或太小，应调整微波分光仪微波系统中的可变衰减器或晶体检波器，使表头指示接近满量程做此项实验。

入射角最好
取30°至65°之间，因为入射角太大或太小接收喇叭有可能直接接收入射波。

做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。

（典型参考实验数据：入射30/65 反射29.5/62）
2）软件指南：
运行应用软件，出现如下启动界面（如图14）。

在启动界面上点击“进入”按钮，进入系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”（如图15），您可看到十个子菜单项。

单击第一个子菜单项“反射实验”，屏幕上会出现“建议”提示框（如图16），这是应用软件根据实验内容建议您选择的“采集点数”和“脉冲通道”，单击“OK”按钮，进入“输入采集参数”界面（见图17），建议采用我们推荐的“采集点数和通道号”，这样有利于更好观察采集过程及处理数据。

如果您未做选择直接点击了“试采集”或“正式采集”按钮，“采集点数和通道号”则按照我们建议的默认值“采集点数为120，通道号为1”选择。

在您选择好“采集点数和通道号”后，DH926AD型数据采集仪相应通道指示灯亮（绿色），软件进入采集过程界面。

图14 启动界面
图15
系统主
图16 “建议”提示框
如果您想预览一下采集过程，您可点击“试采集”按钮，屏幕上便会出现“试采集界面”（如图18）。

“试采集”的采集过程界面比“正式采集”过程界面简单，
功能键很少，不对采集数据进行处理，相应的功能键与“正式采集”采集过程界面中的功能按钮功能相同，此处不再赘述，仅讲解“正式采集”采集过程界面的功能按钮使用及实验结果处理。

注：如果您先点击了“试采集”按钮进行了试采集，退出“试采集”采集过程界面后，您要开始“正式采集”之前，务必要把实验装置恢复到本实验的初始状态，方可继续进行“正式采集”工作！否则会对实验结果引入很大的误差！
当点击“正式采集”按钮，
屏幕上便会出现正式采集过程
图17 输入采集参数
图18 试采集界面
图19 正式采集界面
界面（如图19）。

“采集过程”界面中，“绘图框”内显示以采集点数为横坐标、电压值为纵坐标的坐标轴。

此时，察看小平台，固定臂指针指在某一角度处，这角度数就是入射角，将入射角度的值填入绘图框下方的“需要您输入的参数”中“入射角”一栏中，以便采集结束后计算“反射角”
的值。

如果您此时点击“开始采集”按钮，屏幕上会出现“是否保存？”界面（如图20），如果您是首次采集，请单击“开始新的采集按钮”。

如果您刚刚已进行了采集工作，您就要考虑是否对刚刚的采集过程进行保存，若保存，请单击“保存”按钮；若不保存，请单击“开始新的采集”按钮。

如果您刚刚选择了“开始新的采集”，屏幕上便会出现一
个提示框（如图21），提示您当前要进行的操作 。

单击“OK ”按钮，开始实时采集信号变化并绘图。

采集过程中，DH926AD 型数据采集仪的USB 指示灯连续闪动（蓝色），表示采集过程正在继续。

应用软件屏幕上的信号灯颜色也随着实验的继续进行红色、绿色切换。

您需要顺时针匀速转动DH926B 型微波分光仪的活动臂，随着活动臂的移动，采集点数依
次增加，当您停止移动活动臂，绘图框会保持原来的状态直到您再次开始移动活动臂。

这个过程中，您便可在绘图框中实时观察到信号变化（如图22）。

当采集过程中的已采集的脉冲变化等于您在进入采集过程界面之前设定的采集点数时，屏幕上会出现“此次采集完毕”的采集结束提示框。

如果您想对采集过程中可以求得的参数有所了解，请点击采集界面中的“计
算结果”按钮，如果您未输入需要您输入的参数，屏幕上会出现“请输入入射角”的警告提
图20 “是否保存”界面
图21 提示框
图22 采集示例
示框。

您重新输入入射角后，再次按下“计算结果”按钮，系统软件会根据您提供的已知量及采集过程中的数据，将本实验待求参数理论值和根据实际采集过程处理得到的参数——“反射角”的值分别显示在屏幕的“参数理论值”及“经采集求得的参数”框内（见图25）。

采集结束后，如果您想对采集的数据进行保
存，点击“保存数据”按钮，屏幕上首先出现“将采集过程保存成数据文件”的提示框（见图26），单击“OK ”后，出现“保存数据对话框”（见图27），默认存储路径为本软件安装的根目录，输入数据文件名，点击“保存”按钮，文件即按照您所输入的文件名，以“.txt ”为扩展名将采集数据保存成文本文件。

采集结束后，如果您
想对采集过程中所描绘图
形进行打印，点击“打印”
按钮，屏幕上首先出现“打
印”对话框（如图28）。

在“Printer Info ”栏中，
“Name:” 项中显示的是
当前与计算机相连的默认
打印机型号，可以点击
“Properties ”按钮对打印
机属性进行设置（如图
29），属性页中包含对打印
机所用纸张等属性的设
置，进行设置或使用默认
设置后，单击“确定”或“取消”按钮，退出属性页。

然后将“Print to file ”复选框选中选项去掉（如图30），如果选中，则不通过打印机输出，而是将图形信息保存成文件。

接着对“Graphics Options ”栏中的图形输出的“Width ” （宽度）、“Height ”（高度）、“Horizontal offset ”（水平偏移）和“
Vertical" 图27 保存数据对话框
图25 计算结果示例
图28 打印对话框
在采集过程中，如果您点击了“终止采集”按钮，本次采集即被终止，但在这个过程中，您所采集到的数据未必能对通过本实验可求得的参数进行准确计算，如果您不想了解计算结果，您便可终止采集过程，屏幕上会出现“此次采集完毕”的采集结束提示框（如图23）。

采集过程停止后，绘图框中仍显示刚刚进行的采集过程，如果您再次开始采集工作，绘图框上的绘图线条会以
有别于上次采集过程的线条颜色显示（如果上次绘图线条为红色，则此次绘图线条为蓝色，反之亦然）。

如果您认为重新开始采集过程需要清除原绘图区域信息，重新显示采集过程，您可点击“清屏”按钮，绘图框恢复到初始状态。

如果您认为应该开始新的工作或适当休息一下，您可点击“离开”按钮，屏幕回到系统主菜单界面（如图15）。

图29 打印机属性设置图30 复选框设置
实验二、单缝衍射实验：
如下图（图31）所示，当一平面波入射到一宽度和波长可比
拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。

在缝后面出现的衍射波强度并
不是均匀的，中央最强，同时也最宽。

在中央的两侧衍射波强度迅
速减小，直至出现衍射波强度的最小值，即一级极小，此时衍射角
为()a Sin /1λφ-=，其中λ是波长，a 是狭缝宽度。

两者取同一长
度单位，然后，随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出
现一级极大值，角度为：()a Sin 2/31λφ-=。

1）系统构建指南：
系统构建时，如图32，开启DH1121B 型三厘米固态信号源。

首先需要调整DH926B 型微波分光仪单缝衍射板的缝宽，当该板放到支座上时，应使狭缝平面与支座下面的小圆盘上的90-90刻线一致。

转动小平台使固定臂的指针在小平台的180刻度处，此时小平台的0刻度就是狭缝平面的法线方向。

这时调整信号电平使DH926AD 型数据采集仪表头指示接近满刻度。

根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角，并与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进行比较。

此实验曲线的中央较平，甚至还有稍许的凹陷，这可能是由于衍射板还不够大之故，但这对实验结果影响并不明显。

将DH926AD 型数据采集仪提供的USB 电缆线的两端根据具体尺寸分别连接到数据采集仪的USB 口和计算机的USB 口，此时，DH926AD 型数据采集仪的USB 指示灯亮（蓝色），表示已连接好。

然后打开DH926AD 型数据采集仪的电源开关，电源指示灯亮（红色），将数据采集仪的通道电缆线两端分别连接到DH926B 型微波分光仪分度转
图31 单缝衍射原理 图32 单缝衍射实验布置
台底部的光栅通道插座和数据采集仪的相应通道口上（本实验应用软件默认为通道1）。

最后，察看DH1121B 型三厘米固态信号源的“等幅”和“方波”档的设置，将DH926AD 型数据采集仪的“等幅/方波”设置按钮等同与DH1121B 型三厘米固态信号源的设置。

（工作状态：“等幅”档）
2）软件指南：
本实验在软件运行过程中出现的界面和提示窗口均与上述“反射实验”类似，相似之处不再使用具体图片说明，不同之处继续引用图片说明。

如果当前界面为系统“主菜单”，即
选择菜单项“微波物理实验”的第二
个子菜单项“单缝衍射实验”，会出
现“建议” 提示框（如图33），这是
应用软件根据实验内容建议您选择
的“采集点数”和“脉冲通道”，单击“OK ”按钮，进入“输入采集参数”界面，建议采用我们推荐的“采集点数和通道号”，这样有利于更好观察采集过程及处理数据。

如果您未做选择直接点击了“试采集”或“正式采集”按钮，“采集点数和通道号”则按照我们建议的默认值“采集点数为60，通道号为 1”选择。

在您选择好“采集点数和通道号”后，DH926AD 型数据采集仪相应通道指示灯亮（绿色），软件进入采集过程界面。

如果当前界面不是系统“主菜单”，切换到系统“主菜单”界面后，按照上述操作进行即可。

如果您想预览一下采集过程，您可点击“试采集”按钮，“试采集”的采集过程界面比“正式采集”过程界面简单，功能键很少，不对采集数据进行处理，相应的功能键与“正式采集”采集过程界面中的功能按钮功能相同，此处不再赘述，仅讲解“正式采集”采集过程界面的功能按钮使用及实验结果处理。

注：如果您先点击了“试采集”按钮进行了试采集，退出“试采集”采集过程界面后，您要开始“正式采集”之前，务必要把实验装置恢复到本实验的初始状态，方可继续进行“正式采集”工作！否则会对实验结果引入很大的误差！
当点击“正式采集”按钮，屏幕上便会出现正式采集过程界面（如图34）。

图33 “建议”提示框
“采集过程”界面中，“绘图框”内显示以采集点数为横坐标、电压值为纵坐标的坐标轴。

此时，察看单缝宽度和微波波长，将其值填入绘图框下方的“需要您输入的参数”中“单缝宽度”和“微波波长”相应栏中，以便采集结束后计算“1级极小衍射角”和“1级极大衍射角”的值。

如果您此时点击“开始采集”按钮，屏幕上会出现“是否保存？”界面，如果您是首次采集，请单击“开始新的采集按钮”。

如果您刚刚已进行了采集工作，您就要考虑是否对刚刚的采集过程进行保存，若保存，请单击“保存”按钮；若不保存，请单击“开始新的采集”按钮。

如果您刚刚选择了“开始新的采集”，屏幕上便会出现一个提示框，提示您当前要进行的操作 。

单击“OK ”按钮，开始实时采集信号变化并绘图。

采集过程中，DH926AD 型数据采集仪的USB 指示灯连续闪动（蓝色），表示采集过程正在继续。

应用软件屏幕上的信号灯颜色也随着实验的继续进行红色、绿色切换。

您需要顺时针或逆时针（但只能沿一个方向）匀速转动DH926B 型微波分光仪的活动臂，随着活动臂的移动，采集点数依次增加，当您停止移动活动臂，绘图框会保持原来的状态直到您再次开始移动活动臂。

这个过程中，您便可在绘图框中实时观察到信号变化。

当采集过程中的已采集的脉冲变化等于您在进入采集过程界面之前设定的采集点数时，屏幕上会出现“此次采集完毕”的采集结束提示框。

如果您想对采集过程中根据采集得到的数据可以求得的参数有所了解，请点击正式采集界面中的“计算结果”按钮，如果您未输入需要您输入的“单缝宽度”和“微波波长”参数，切记这两个参数的单位默认为“厘米”。

屏幕上会出现“请输入参数”的警告提示框（如图35）。

重新输入入射角后，再次按下“计算结果”按钮，系统软件会根据您提供
图34 正式采集界面
的已知量及采集过程中的数据，将本实验待求参数理论值和根据实
际采集过程处理得到的参数——“1级极小衍射角”和“1级极大衍
射角”参数的值分别显示在屏幕的“参数理论值”及“经采集求得
的参数”框内（如图36）。

采集结束后，如果您想对采集的数据进行保存，点击“保存数
据”按钮，屏幕上首先出现“将采集过程保存成数据文件”的提示框，单击“OK ”后，出现“保存数据对话框”，默认存储路径为本软件安装的根目录，输入数据文件名，点击“保存”按钮，文件即按照您所输入的文件名，以“.txt ”为扩展名将采集数据保存成文本文件。

在采集过程中，如果您点击了“终止采集”按钮，本次采集即被终止，但在这个过程中，您所采集到的数据未必能对通过本实验可求得的参数进行准确计算，如果您不想了解计算结果，您便可终止采集过程，屏幕上会出现“此次采集完毕”的采集结束提示框。

采集过程停止后，绘图框中仍显示刚刚进行的采集过程，如果您再次开始采集工作，绘图框上的绘图线条会以有别于上次采集过程的线条颜色显示（如果上次绘图线条为红色，则此次绘图线条为蓝色，反之亦然）。

如果您认为重新开始采集过程需要清除原绘图区域信息，重新显示采集过程，您可点击“清屏”按钮，绘图框恢复到初始状态。

图35 警告提示框
图36 计算结果示例
实验三、双缝干涉实验：
如下图（图37）所示，当一平面波垂直入射到一金属板
的两条狭缝上，则每一条狭缝就是次级波波源。

由两缝发出
的次级波是相干波，因此在金属板的后面空间中，将产生干
涉现象。

当然，光通过每个缝也有衍射现象。

因此本实验将
是衍射和干涉两者结合的结果。

为了主要研究来自双缝的两
束中央衍射波相互干涉的结果，这里设b 为双缝的间距，a 仍
为缝宽，a 接近波长λ，例如：cm 2.3=λ，
cm a 4=，这时单缝的一级极小衍射角接近53度。

因此取较大的b ，则干涉强度受单缝衍射的影响小；反之，当b 较
小时，干涉强度受单缝衍射影响大。

干涉加强的角度为：
()()b a K Sin +*=-/1λφ，式中 、、
21=K ；干涉减弱的角度为：()()()b a K Sin +**+=-2/121λφ，式中， 、、21=K 。

本演示实验中，我们只对1级极大干涉角和0级极小干涉角
做了讨论。

当K 取不同的值，实验结果可通过采集过程表达出来，此处不再赘述。

1）系统构建指南：
系统布置同单缝衍射实验布置，如图38，仅将DH926B 型微波分光仪小平台上的单缝衍射板用双缝干涉板代替。

调整过程也相同。

将DH926AD 型数据采集仪提供的USB 电缆线的两端根据具体尺寸分别连接到数据采集仪的USB 口和计算机的USB 口，此时，DH926AD 型数据采集仪的USB 指示灯亮（蓝色），表示已连接好。

然后打开DH926AD 型数据采集仪的电源开关，电源指示灯亮（红色），将数据采集仪的通道电缆线两端分别连接到DH926B
图38 双缝衍射实验
型微波分光仪分度转台底部的光栅通道插座和数据采集仪的相应通道口上（本实验应用软件
图 37双缝干涉原理。